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海镜——海洋信息数字化实验室

Time : 2022-06-21

项目简介
      《海镜》为我公司依据当前国家基础科研软件现状,自主立项研发的一款海洋环境数据处理分析可编辑低代码基础软件。随着我国海洋事业飞速发展和国产化进程的不断推进,海镜项目的开发和应用,在为MATLAB国产化替代进程增砖添瓦的同时,也将用于蓬勃发展的智慧海洋领域的信息化开发和应用,为不断拓展的海战场环境信息提供保障,为日益多元、立体的海洋数字化信息产业发展提供助力和支撑。
项目来源及背景
      MATLAB是一款美国MathWorks公司出品用于数据分析、图像处理与计算机视觉等领域的商业软件,深受各大高校的理工科学生的依赖。
      然而,中美贸易摩擦愈演愈烈,美国基于自身高端产业的优势对中国经济发展采取一系列打压政策,MATLAB在中国很多高校被禁用,这对于我国学术领域造成了不小的影响,也成为了高校教学的一大“卡脖子”问题。
      公司研发这款软件的背景或者说要解决的痛点问题就是缓解国外相关工业设计软件对我们的“卡脖子”状况。自中美贸易战以来,美国基于自身高端产业的优势及竞争态势,对中国经济发展采取一系列打压政策,像FIGMA、MATLAB、AUTOCAD等一些工业设计软件对在美国商务部实体清单里的中国很多科研院所及核心国企实行禁用或者有条件使用,以此打压我们的高技术产业。我们公司这几年与军工科研院所及军方项目合作的过程中,迫切的感受到对像MATLAB这样的计算仿真基础类软件以及海洋环境仿真功能模块的巨大需求,我们迫切的需要研发自己的产品来替代国外软件,海镜项目就是在这个大背景下开始研发的。
项目内容
      《海镜-海洋信息数字化实验室》,是我公司自主研发的一款软件,集科学计算能力、数据分析能力和图形仿真建模能力于一体,将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多功能集合在一起,同时将强大计算能力与海洋地理信息系统相结合,使用户可以更加快捷直观地提取、分析和预报各类海洋现象及海洋物理场时空变化特征等信息。
技术原理:海镜项目瞄准MATLAB的国产化替代,其底层核心采用C++语言结合当前CPU和GPU的多核并行能力从底层编写、整理和优化各类高效的科学计算函数和以及科学计算可视化函数,在此基础上集成OSG和Qt开源软件,实现MATLAB相似的科学计算能力、数据分析能力和图形仿真建模能力,特别是其中针对海洋环境处理预报的海洋环境工具箱使其具备业务级处理能力。
研发策略:海镜项目基于c++语言强大的底层编写能力构建底层程序框架,并在脚本编辑器中实现M文件编辑、编译。
产品开发:民用方向,用户面广泛,主要面向:科研院所、高校、涉海行业用户,一方面满足对MATLAB基础功能的巨大需求,另一方面海镜的海洋仿真模块将促进海洋数字化的发展,实现各类数字化海洋信息低代码编程仿真和预报。
      军事方向,可广泛运用于军队指挥员、参谋人员快速构建作战想定、研讨指挥决策、开展谋略对抗训练、研究创新作战理论等领域,满足军事仿真人员在装备论证、检验验证以及作战效能评估等方面的需求。
      《海镜》作为MATLAB的国产替代品,除了具备MATLAB的计算编译调试基本功能外,还能通过地理信息数据与三维数字化地球无缝衔接,同时具备专业的NetCDF交互处理模块、水下声场传播预报模块、海洋环境数据同化预报模块等,该产品可广泛应用于大多数科研院所、涉海企业、高校、国企等单位。
创新性
(1)应用当前的多核并行计算技术(CUDA和TTP),实现对大参数矩阵运算核心函数并行改进和优化处理。
(2)应用最新的计算机图像可视化技术和仿真技术,实现对大规模三维和四维时变数据场快读特征提取和实时可视化。
(3)与海洋数字化地球相结合,给数据以位置信息,给位置以数据服务,同时编写、封装、集成了大量海洋动力学以及水下声学函数和工具包,实现各类数字化海洋信息的低代码编程仿真和预报。
(4)基于海洋环境信息数据与其自身计算能力的交互,实现对环境数据的快速推演和预报。
主要功能及特点
(1)运算及绘图


与MATLAB类似的矩阵运算和基本函数使用,并进行函数图像的绘制,可进行:plot绘制、scatter绘制、pie函数绘制、image绘制、surf绘制,并线上对应的变量值。

(2)可直接调用M格式文件

与M文件的无缝衔接及三维地球的交互性功能是《海镜》与其他同类产品的最大区别,也是其最大的优势。其他国产MATLAB替代品无法直接打开M文件,这对用户体验是很大的影响。可直接打开M文件进行调用,这点上《海镜》与MATLAB是一样的。
(3)与三维地球结合

(4)NETCDF文件处理模块

(5)声场计算

      基于GPU的声场并行计算方法以及可视化技术,实现三维海洋环境中水下声传播模型的近实时快速解算和可视化展示,展现完整声场剖面和声线轨迹。